"촉각에 집중하면 뇌는 '층별로 다르게' 반응한다"[과학을읽다]

IBS, 7T fMRI로 인간 감각피질 미세 조절 규명…네이처 커뮤니케이션즈 게재

우리가 특정 촉각에 집중할 때 뇌는 단순히 신호를 키우는 것이 아니라, 대뇌피질의 층마다 서로 다른 방식으로 정보를 조절하는 것으로 나타났다. 기존 '일괄 증폭' 개념을 뒤집고, 인간 뇌의 정밀한 정보 처리 메커니즘을 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다.

기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단 김성기 연구단장(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 인간 감각 피질에서 주의(attention)가 신호를 단순 증폭하는 것이 아니라, 피질의 층 구조에 따라 선택적으로 조절된다는 사실을 확인했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 Nature Communications에 지난 13일 온라인 게재됐다.

주의에 따른 감각 피질의 층별 뇌활동 변화 패턴. 연구팀 제공

그동안 뇌는 외부 자극(bottom-up)과 주의 같은 인지 조절(top-down)이 상호작용해 정보를 처리하는 것으로 알려져 왔다. 그러나 이러한 신호가 대뇌피질의 '층 구조'에 따라 어떻게 달라지는지를 인간에서 직접 측정하는 것은 기술적으로 어려운 과제로 남아 있었다.

표층은 '증가', 심층은 '감소'…주의의 정밀 조절 확인

연구팀은 이를 규명하기 위해 초고자장(7테슬라, 7T) 기능적 자기공명영상(fMRI)과 스핀-에코(spin-echo) 기법을 결합해, 뇌의 미세한 층 구조까지 구분 가능한 고해상도 분석을 수행했다.

참가자의 손가락에 촉각 자극을 주고, 동시에 손목에 방해 자극을 제시한 뒤 특정 자극에 주의를 기울인 경우와 그렇지 않은 경우를 비교해 1차 체성감각피질의 층별 반응을 측정했다.

그 결과 자극에 집중했을 때 감각 피질의 표면층에서는 신호가 증가한 반면, 심층에서는 오히려 신호가 감소하는 상반된 패턴이 나타났다. 중간층에서는 유의미한 변화가 없었으며, 방해 자극이 있는 경우에는 모든 층에서 신호가 전반적으로 감소했다.

이는 주의가 감각 정보를 단순히 '강하게 만드는' 것이 아니라, 뇌의 층 구조를 따라 서로 다른 방향으로 신호를 조절하는 정교한 메커니즘임을 보여준다. 특히 인간에서 피질 층 수준의 반응 차이를 직접 확인했다는 점에서 기존 동물 연구 중심 이론을 확장한 성과로 평가된다.

김성기 IBS 연구단장은 "초고자장 fMRI와 스핀-에코 기법을 결합해 인간 뇌의 층별 신경활동을 정밀하게 측정할 수 있었다"며 "향후 고해상도 뇌영상 연구뿐 아니라 다양한 인지·감각 기능 연구로 확장될 수 있는 기반이 될 것"이라고 말했다.

김동호 IBS 선임연구원은 "주의가 정보를 어떻게 선택적으로 조절하는지를 층 수준에서 확인한 결과"라며 "통증, 신경질환 연구는 물론 인공지능 등 다양한 분야로의 확장 가능성도 기대된다"고 밝혔다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr